Vad är ferroelektriska material?

Ferroelektriska material är material som har en naturlig laddningspolarisation som kan vändas av ett externt elektriskt fält, känt som omkopplingsprocessen. Ferroelektricitet har varit känd sedan 1921 och från och med 2011 har över 250 föreningar visat sig uppvisa sådana egenskaper. Forskningen har fokuserat på blytitanat, PbTiO ₃ och relaterade föreningar. Av de ferroelektriska material som studerats från och med 2011 har alla visats vara piezoelektriska material. Detta innebär att om mekaniskt tryck eller andra former av energisk spänning från ljud eller ljusenergi appliceras på sådana föreningar kommer de att generera elektricitet.

Ferroelektricitetens tillämpningar spänner över ett brett spektrum av elektronikapparater, från kretskomponenter som kondensatorer och termistorer till enheter med elektrooptik eller ultraljudskapacitet. En av de mest aktivt undersökta arenorna för ferroelektriska material är datorminnet. Att konstruera materialen i en nanometerskala producerar så kallade virvelnanodomäner som inte kräver ett elektriskt fält för att växla polarisering. Flera statliga universitetssystem i USA som arbetar tillsammans till och med 2011 med Lawrence Berkeley National Laboratory gör det perfekta materialet, vilket skulle kräva mycket mindre elektrisk kraft än traditionella magnetiska datordrivna enheter. Det skulle också vara en form av dataminne i fast tillstånd som fungerar mycket snabbare och med större lagringskapacitet än det flashminne som för närvarande finns på marknaden, med potential att en dag lagra hela operativsystem och programvara, vilket gör datorns start och bearbetningshastigheter mycket större.

Den ferroelektriska effekten hämtar sitt namn från ferromagnetism, som beskriver permanenta magnetiska material baserade på järn som finns i naturen. Detta är dock lite felaktigt, eftersom de flesta ferroelektriska material inte är baserade på elementet järn. Salter av titansyra som härrör från titandioxid utgör många av de viktigaste ferroelektriska materialen under forskning. Dessa inkluderar bariumtitanat, BaTiO3, blyzirkonat-titanat, PZT eller besläktade föreningar som natriumnitrat, NaN02.

PZT är det mest använda ferroelektriska materialet inom industrin från och med 2011. Det är ett hybridmaterial mellan ferroelektriskt blytitanat och anti-ferroelektriskt blyzirkonat, vilket gör att formler för materialet kan konstrueras närmare den ena eller de andra ändarna av det ferroelektriska eller anti-ferroelektriskt spektrum. Eftersom PZT kan ställas in för sin känslighet för mekaniska, ljud- eller elektriska fält, och eftersom det är ett keramiskt material som lätt formas, formas och skärs, används det ofta för passiva sensorer och sändare i mycket specifika frekvenser.